[发明专利]用于将摄像头透镜法兰校准到传感器距离的方法和设备

说明书

有关申请的交叉参考

不适用。

关于联邦政府资助的研究或发展的声明

不适用。

背景技术

本发明涉及成像系统的校准，更特定地，涉及校准以补偿由于制造容差引起的法兰焦距误差。

机器视觉行业已经开发了数码摄像头系统，用于获取用于代码标识和解码以及视觉检测系统的高质量图像。数码摄像头通常包括二维CMOS或CCD传感器阵列、透镜组件、透镜安装法兰、以及摄像头处理器。透镜组件附连至透镜安装法兰，透镜安装法兰被认为将透镜组件位于离传感器特定距离处。例如，在C-安装摄像头的情况下，安装法兰和传感器平面之间的特定距离为17.526毫米。相似地，在CS-安装摄像头的情况下，安装法兰和传感器平面之间的特定距离为12.5毫米。处理器被编程为以计算而控制摄像头焦距的方式来控制透镜，其中控制特性至少部分地基于安装法兰和传感器阵列之间的特定距离。

一个类型的透镜组件是电动透镜型，其中用马达沿光轴移动透镜部件来调节焦距。另一个类型的透镜组件是可变光功率型组件，诸如液体透镜，其中是修改透镜的形状来调节距离而不是沿光轴移动透镜来调节焦距。为了控制电动透镜，处理器调节到透镜的控制信号，以驱动透镜马达而修改焦距。为了控制液体透镜，处理器调节施加于透镜上的电压以改变透镜的形状从而调节焦距。

已经开发了可与许多不同类型的透镜一起使用的一些摄像头系统。其中单个摄像头组件可使用几个不同类型的液体透镜，不同的透镜一般具有不同的透镜特定工作特性，这些工作特性存储在安装在透镜上的存储器设备中，可被用于计算处理器如何控制透镜而调节焦距，等等。当把液体透镜附连至安装法兰上时，处理器从透镜存储器设备处读取工作特性且此后以与工作特性和摄像头安装类型（例如，C-安装、CS-安装、其它）一致的方式来控制透镜。例如，在计算施加于透镜的电压以控制透镜的形状并且导致发生特定的光功率，该工作特性和特定摄像头安装类型的特性可以是有用的。

与现有的基于CCD或CMOS的摄像头系统有关的一个问题是与CCD或CMOS传感器阵列有关的制造容差，经常导致法兰焦距误差，继而导致焦距误差。例如，CCD传感器阵列包括安装在印刷电路板（PCB）上的CCD阵列，然后印刷电路板安装在系统支承结构中。该PCB和阵列的厚度可感知地改变并导致法兰焦距误差（即，对于特定透镜类型，与特定的或理想的法兰焦距的偏差）。传感器芯在其封装中的位置的容差也可感知地对于法兰焦距误差做出贡献。已经凭经验地确定法兰焦距误差可导致聚焦误差，在某些视觉应用中，聚焦误差会大于景深，以致该误差实质上影响整个系统的性能。

与法兰焦距误差相关联的问题的一个解决方案是在装运传感器阵列（例如，CCD阵列）和特定透镜（例如，特定类型的液体透镜）的组合之前工厂校准该组合。这个解决方案只在工厂安装的透镜将与传感器阵列一起使用的情况下才有效，这个解决方案不允许其它具有可变能力的透镜与工厂安装的透镜进行交换。

另一个解决方案是把校准目标集成到摄像头组件中位于离传感器阵列已知距离处或集成应用环境中位于距离传感器阵列已知距离处，并且对系统进行编程，在调试过程（commissioning procedure）期间，每次启动组件时对其本身进行再校准。类似解决方案是在安装系统之后用放置在离传感器阵列已知距离处的目标，现场校准传感器阵列和透镜组合。不幸地，这些解决方案中的每一个需要附加的调试过程步骤。此外，每次用一个类型的透镜与不同类型的透镜交换时，这些解决方案包括必须重复的一些过程。

与法兰焦距误差相关联的问题的另一个解决方案是提供机械调节机构，用于制造后调节安装法兰和传感器平面之间的法兰焦距，补偿或消除法兰焦距误差。尽管是可能的，但是这个解决方案需要极精确的机械调节组件且因此需要另外的系统部件而增加了总成本。

一个其它的解决方案是设计闭环自动聚焦系统，其中获取图像序列，并且系统根据测量到的图像锐度来调节透镜以设置最优焦距。这个解决方案不能在快速移动的应用中良好地工作，在这些应用中没有足够的时间来分析一系列图像并调节每个所得图像之间的焦距以寻找聚焦设置。

因此，有利的是具有不论与系统一起使用的透镜类型而可自动补偿法兰焦距误差的摄像头系统。

发明内容